Silikon nitrida dalam semikonduktor

Silikon nitrida ( $S{i}_3{N}_4$ ) adalah bahan yang memainkan peranan penting dalam kemajuan teknologi semikonduktor. Walaupun sering dibayangi oleh silikon dioksida ( $Si{O}_2$ ), sifat uniknya menjadikannya sangat diperlukan untuk pelbagai aplikasi, dari komponen peranti pasif ke unsur transistor aktif.

Sifat unik silikon nitrida

Silicon Nitride mempunyai gabungan sifat yang menjadikannya pilihan yang unggul untuk aplikasi semikonduktor tertentu:

• Pemalar dielektrik tinggi ( $k$ ): Berbdaning dengan $Si{O}_2$ (dengan a $k$ sekitar 3.9), $S{i}_3{N}_4$ mempunyai pemalar dielektrik yang lebih tinggi (biasanya antara 7.5 hingga 8). Harta ini membolehkan penyimpanan lebih banyak caj di kawasan tertentu, yang penting untuk mengurangkan saiz kapasitor dan sel ingatan. Dalam memori akses rawak dinamik (DRAM), misalnya, lebih tinggi $k$ bahan seperti $S{i}_3{N}_4$ Membantu mengekalkan kapasitans yang mencukupi sebagai dimensi sel mengecut, mencegah kehilangan data.

• Penghalang penyebaran yang sangat baik: Salah satu fungsi paling kritikal $S{i}_3{N}_4$ Dalam pembuatan semikonduktor adalah keupayaannya untuk bertindak sebagai penghalang yang sangat berkesan terhadap penyebaran atom, terutamanya molekul air dan ion alkali seperti natrium. Harta ini menjadikannya bahan yang sesuai untuk Lapisan Passivation and Filem enkapsulasi , melindungi kawasan aktif cip yang halus dari pencemaran alam sekitar yang dapat merendahkan prestasi dan kebolehpercayaan peranti.

• Kekerasan mekanikal yang tinggi: Kekerasan dan kekuatan mekanikal yang melekat bahan menjadikannya sesuai untuk digunakan sebagai topeng keras dalam proses litografi dan etsa. Tidak seperti bahan yang lebih lembut, $S{i}_3{N}_4$ Boleh menahan etsa plasma yang agresif, yang membolehkan pemindahan corak rumit ke lapisan asas dengan hakisan yang minimum. Ini amat penting untuk membuat struktur nisbah aspek tinggi.

• Koefisien pengembangan haba yang rendah: Pekali pengembangan haba $S{i}_3{N}_4$ agak rendah dan rapat dengan silikon. Kesamaan ini meminimumkan tekanan mekanikal pada peranti semasa kitaran haba, seperti yang ditemui semasa langkah -langkah pemprosesan seperti penyepuhlindapan dan pemendapan. Tekanan yang dikurangkan membantu mencegah retak dan penyingkiran, meningkatkan hasil peranti keseluruhan dan panjang umur.

Aplikasi utama dalam peranti semikonduktor

Silicon Nitride digunakan dalam pelbagai peranan kritikal dalam cip semikonduktor:

• Spacer dielektrik: Dalam fabrikasi Finfets dan arkitek transistor maju yang lain, $S{i}_3{N}_4$ digunakan sebagai bahan spacer. Spacer ini secara elektrik mengasingkan pintu dari terminal sumber dan longkang, fungsi penting untuk mencegah litar pintas dan mengawal panjang saluran.

• Gate Dielectric: Manakala $Si{O}_2$ tetap menjadi standard untuk transistor MOS tradisional, $S{i}_3{N}_4$ Boleh digunakan dalam susunan dielektrik pintu untuk mencapai kapasitans yang lebih tinggi dan arus kebocoran yang lebih rendah. Ini amat relevan dalam teknologi memori yang tidak menentu, seperti memori flash terapung-pintu, di mana ia boleh berfungsi sebagai lapisan penangkapan caj atau sebagai sebahagian daripada timbunan dielektrik pintu pelbagai lapisan (mis., $Ono$ timbunan: $Si{O}_2$ / $S{i}_3{N}_4$ / $Si{O}_2$ ).

• Passivation dan enkapsulasi: Sebagai lapisan pelindung akhir, filem $S{i}_3{N}_4$ boleh disimpan di seluruh permukaan cip. Ini Lapisan Passivation melindungi litar bersepadu dari kelembapan, bahan kimia, dan kerosakan mekanikal, dengan ketara meningkatkan kebolehpercayaan jangka panjang peranti.

• Interlayer Dielectric (ILD): Dalam beberapa aplikasi, $S{i}_3{N}_4$ digunakan dalam lapisan dielektrik antara logam untuk memisahkan interkoneksi konduktif yang berbeza. Sifat ketumpatan dan halangan yang tinggi menghalang penyebaran atom logam (seperti tembaga) ke dalam dielektrik sekitar, yang merupakan mekanisme kegagalan umum dalam interkoneksi maju.

Peranan seramik silikon nitrida

Ia juga perlu diperhatikan aplikasi silikon nitrida yang lebih luas di luar pemendapan filem nipis pada wafer. Kemelut tinggi Silicon nitride seramik digunakan untuk membuat komponen untuk peralatan pembuatan semikonduktor itu sendiri. Kekerasan yang luar biasa, rintangan kejutan terma, dan inertness kimia menjadikannya sesuai untuk bahagian-bahagian seperti alat pengendalian wafer, tiub relau, dan pelbagai lekapan yang beroperasi dalam persekitaran yang keras dan suhu tinggi. Peranan ganda ini -sebagai bahan pada cip dan di dalam jentera yang menjadikan cip -menyoroti kepentingannya kepada seluruh industri.

Kesimpulannya, kombinasi unik silikon Nitride dari sifat elektrik, mekanikal, dan kimia telah mengukuhkan tempatnya sebagai bahan kritikal dalam fabrikasi semikonduktor moden. Keupayaannya untuk berfungsi sebagai penghalang penyebaran yang berkesan, tinggi- $k$ dielektrik, dan topeng keras yang kuat secara mekanikal memastikan kaitannya yang berterusan apabila teknologi cip berkembang menjadi skala yang lebih kecil dan lebih kompleks.